柔性材料在CRTSⅡ型軌道板上拱整治中的應用

梁延科 徐凌雁 寇勝宇 徐鵬

（中國鐵路設計集團有限公司 線站院，天津 300308）

CRTSⅡ型板式無砟軌道作為我國主要的軌道結構形式之一，應用于京津、京滬、京廣、寧杭等高速鐵路線路，2018年底正線鋪軌里程已達8 700 km[1]。現場調研發現，在極端溫度荷載、結構初始缺陷、材料劣化等因素綜合影響下，軌道結構出現了寬窄接縫壓潰、砂漿層離縫、軌道板上拱等病害。近年來，軌道板上拱現象頻發（表1），影響軌道結構穩定性、耐久性和線路平順性[2]，給列車運行帶來重大安全隱患。

表1 軌道板上拱病害發生數量

相關學者對軌道板上拱病害機理及整治措施進行了研究。文獻[3-5]對軌道板在溫度荷載作用下的上拱機理及影響因素進行了分析，認為寬窄接縫劣化失效及結構層間離縫導致了軌道板截面上部偏心受壓而失穩起拱。文獻[6-8]提出了采用植筋錨固、板底注膠等軌道板上拱整治措施，但均以被動處置為主，缺少主動應對措施和徹底解決的技術方案。

本文結合CRTSⅡ型板式無砟軌道結構特點和傳力模式，在深入分析軌道板上拱原因的基礎上提出了采用柔性材料填充寬窄接縫的整治方案。基于有限元理論，分析了寬窄接縫采用不同彈性模量的柔性材料填充后軌道結構的受力情況和變形特征，驗證了方案的可行性。本文研究成果可為完善CRTSⅡ型軌道板的設計理念提供參考，為軌道板上拱整治方案提供借鑒。

1 軌道板上拱機理

在溫度荷載作用下，軌道混凝土結構熱脹冷縮，產生巨大的溫度力。溫度力的表達式為

式中：P為溫度力，N；E為軌道結構彈性模量，Pa；A為斷面面積，m2；α為線膨脹系數，℃/m；ΔT為溫度變化幅度，℃。

對于CRTSⅡ型無砟軌道軌道板，混凝土等級為C55，彈性模量E=3.55×1010Pa；軌道板寬2.5 m，厚0.2 m，則A=0.5 m2；取α=1×10-5℃/m[2]；當溫度變化幅度ΔT=1℃時，利用式（1）可算得P=1.775×105N。

CRTSⅡ型無砟軌道鋪設范圍跨越我國南北地區，溫差大，易出現極端高溫天氣。在極端高溫天氣下軌道結構表面最高溫度可達50℃[9]。寬窄接縫為現澆異形結構，施工質量難以控制，屬于縱連結構中的薄弱環節。在巨大的溫度力作用下，可能出現壓潰等現象，如圖1所示。

圖1 寬窄接縫破損示例

寬窄接縫受損后，在溫度荷載作用下，軌道板橫截面由全斷面均勻受力轉變為不均勻受力狀態，形成偏心受壓（圖2）。軌道板在偏心力作用下會出現上拱現象。

圖2 寬窄接縫受力狀態

2 采用柔性材料整治軌道板上拱的可行性

參考德國高速鐵路無砟軌道整治方案，借鑒中間固定、兩端伸縮的設計理念[10]，可在寬窄接縫中填充柔性材料，以保持軌道結構的穩定性。

該方案的基本原理是在保證材料強度和耐久性的前提下，利用柔性材料彈性模量低、剛度小的特點，在高溫條件下釋放軌道結構內部產生的巨大溫度力，避免接縫混凝土壓潰、軌道板偏心起拱，如圖3所示。

圖3 利用填充柔性材料整治軌道板上拱示意

利用填充柔性材料整治軌道板上拱，就是通過改變寬窄接縫材料的剛度特性，將軌道板間的剛性連接變成柔性連接。忽略砂漿、扣件、張拉鎖件對軌道板的縱向約束力，結合式（1），長6.5 m的軌道板在整體升溫30℃作用下，端部產生約1 mm的縱向位移。因此，寬窄接縫端部產生1 mm的彈性變形就可釋放整體升溫30℃產生的溫度力，使軌道結構維持正常的服役狀態。

綜上，在寬窄接縫中填充柔性材料可通過釋放軌道結構間的溫度力來抑制軌道板上拱，該方案可行。

3 建立有限元模型

為研究柔性材料對軌道板上拱的整治效果，基于有限元理論，建立CRTSⅡ型板式無砟軌道空間耦合模型，如圖4所示。軌道板縱向采用寬窄接縫進行連接。

圖4 有限元模型

模型中，鋼軌和軌道板由扣件相連，采用彈簧單元模擬，全面考慮縱向、橫向、垂向3個方向的剛度；考慮結構的幾何尺寸和物理屬性，鋼軌、軌道板、CA砂漿、底座板與寬窄接縫采用實體單元模擬；軌道板與CA砂漿及寬窄接縫的層間連接采用接觸單元來模擬；考慮線路的縱連特點，鋼軌和軌道結構兩端采用對稱約束；扣件約束其彈簧下部端點的轉動，以模擬扣件墊板的作用；底座板底部完全固定。模型全長為4塊軌道板長度，各參數詳見文獻[2]。

4 無損條件下寬窄接縫受力特征

采用柔性材料填充后，在寬窄接縫無損條件下，分析整體升溫荷載作用下寬窄接縫的縱向應力變化情況。取極端高溫天氣不利工況，整體升溫50℃。

4.1 柔性材料彈性模量對寬窄接縫縱向應力的影響

分別取柔性填充材料的彈性模量為35 500.0，17 750.0，3 550.0，1 775.0，710.0，355.0，177.5，88.8，35.5，17.8 MPa，計算寬窄接縫縱向應力最大值，見圖5。其中35 500.0 MPa為寬窄接縫未采用柔性材料填充時的原始彈性模量。計算時寬、窄接縫寬度分別取210，50 mm。

圖5 柔性材料彈性模量對縱向應力最大值的影響

由圖5可知，隨著填充材料彈性模量的降低，寬窄接縫縱向應力最大值先增大后減小。彈性模量為3 550.0 MPa時，縱向應力最大值達到峰值；彈性模量降至710.0 MPa時，縱向應力最大值開始小于原始彈性模量下的縱向應力最大值；彈性模量降至17.8 MPa時，縱向應力最大值僅為1.37 MPa，比原始彈性模量下降低了92.3%，軌道板的溫度力得到了極大的釋放，寬窄接縫的服役狀態得以優化。

填充材料彈性模量降低幅度不大時，縱向應力最大值出現增大現象，這是由于寬接縫的位移協調性強于窄接縫，致使在溫度力作用下窄接縫的縱向應力明顯大于寬接縫。以彈性模量降至3 550.0 MPa為例，寬窄接縫縱向應力云圖見圖6。可知，縱向應力最大值和最小值分別為24.71，6.38 MPa，分別位于窄接縫和寬接縫，這也是長時間運營后窄接縫傷損明顯多于寬接縫的原因之一，與現場調研結果吻合。

圖6 寬窄接縫縱向應力云圖（單位：Pa）

4.2 窄接縫寬度對寬窄接縫縱向應力的影響

保持寬接縫寬度不變（210 mm），取填充材料彈性模量為3 550.0 MPa，計算不同窄接縫寬度下寬窄接縫縱向應力的最大值和最小值，見圖7。

圖7 窄接縫寬度對寬窄接縫縱向應力的影響

由圖7可知，隨著窄接縫寬度不斷增加，縱向應力最大值線性減小，而最小值非線性增加。窄接縫寬度為50 mm時，縱向應力最大值和最小值相差最大，為18.33 MPa；窄接縫增至與寬接縫等寬（210 mm）時，縱向應力最大值和最小值基本相等。

在采用柔性材料時，為使寬窄接縫受力均勻，在工程允許的情況下，可適當增加窄接縫的寬度。

5 柔性材料對軌道板上拱的抑制作用

5.1 寬窄接縫彈性模量對軌道板上拱量的影響

在整體升溫50℃、寬窄接縫傷損高度為80 mm工況下，分別計算寬窄接縫彈性模量為35 500.0，17 750.0，3 550.0，1 775.0，710.0，355.0，177.5，88.8，35.5，17.8 MPa時軌道板上拱位移，見圖8。

圖8 柔性材料彈性模量對軌道板上拱量的影響

由圖8可知：隨著柔性填充材料的彈性模量從35 500.0 MPa降至1 775.0 MPa，寬窄接縫喪失了對軌道板上拱的抑制作用，而溫度力尚未得到釋放，反而加劇了軌道結構的上拱變形；彈性模量小于177.5 MPa后，軌道板溫度力得到了足夠的釋放，軌道板上拱位移小于原始彈性模量下的上拱位移；彈性模量降至17.8 MPa時，軌道板基本不會出現上拱現象。

5.2 傷損高度的影響

在整體升溫50℃，寬窄接縫傷損高度從60 mm逐漸增至100 mm工況下，計算填充不同彈性模量的柔性材料時軌道板的上拱位移，見圖9。

圖9 不同傷損高度及彈性模量下軌道板上拱位移變化云圖

由圖9可知：隨著傷損高度的增加，軌道板上拱位移明顯有增大趨勢但非線性增大；對于不同傷損高度，柔性填充材料彈性模量變化對軌道板上拱位移的影響基本類似。彈性模量降至17.8～35.5 MPa時軌道板上拱位移均小于1 mm。此時軌道板服役狀態良好[11]，基本不會出現上拱現象。

6 結論

1）采用柔性材料填充寬窄接縫可有效釋放軌道板的溫度力。寬窄接縫產生1 mm的彈性變形可釋放整體升溫30℃產生的溫度力。

2）隨著柔性填充材料彈性模量降低，寬窄接縫縱向應力最大值先增大后減小。在柔性材料彈性模量為17.8 MPa、整體升溫50℃工況下，寬窄接縫縱向應力最大值僅為1.37 MPa。

3）增加窄接縫的寬度可使寬窄接縫受力更加均勻，減小寬窄接縫應力峰值。在工程允許條件下，可適當增加窄接縫寬度。

4）在傷損狀態下，隨著柔性填充材料彈性模量的降低，軌道板上拱位移先增大后減小。彈性模量小于17.8 MPa時，軌道板基本不會產生上拱變形。

5）采用彈性模量適當的柔性材料進行填充，可改善寬窄接縫服役狀態，抑制軌道板上拱。